柴油、生物柴油、戊醇混合燃料喷雾特性的实验

2022-01-13李雁飞

汽车安全与节能学报 2021年4期

李莉，李雁飞，秦颂

（1. 西安交通大学城市学院机械工程系，西安710018，中国；2. 汽车安全与节能国家重点实验室，清华大学，北京100084，中国）

生物柴油和醇类是目前在发动机应用较广泛的可再生清洁替代燃料，是可通过藻类或木质纤维素等生产获得的全生命周期的碳中和燃料[1-3]。生物柴油是一种碳中性含氧燃料，基本不含硫和芳烃，十六烷值与柴油接近甚至更高，可与柴油以任意比例混合。研究表明：生物柴油由于较高的粘度、密度和沸点，具有比柴油更长的贯穿距、较小的喷雾锥角[4-6]；且在大气条件下，生物柴油喷雾的Sauter平均直径（Sauter mean diameter，SMD）较柴油略有增加[7-8]。柴油掺混生物柴油后可有效降低发动机的颗粒物（particulate matter，PM）、一氧化碳（CO）及总碳氢化合物（total hydrocarbon， THC）排放[9-12]，且有效热效率与原机相比变化不大或稍有改善[13-14]。

戊醇作为新一代的可再生碳中性燃料，在内燃机上具有广阔的应用前景和环境友好性，与低碳醇（含有4个碳以下）相比，戊醇具有更高的能量密度、粘度和十六烷值，采用柴油-戊醇混合燃料可有效降低发动机的CO、氮氧化物NOx和碳烟（soot）排放[15-16]。在不采用废气再循环（exhaust gas recirculation，EGR）的条件下，燃用纯戊醇燃料且采用压燃模式可实现NOx和soot排放的同时降低并保持较高的热效率[17]。

燃料的雾化质量直接影响发动机燃烧和排放特性。近年来，基于燃料理化特性差异设计的多组分混合燃料由于其优良的喷雾和燃烧性能引起了国内外学者的关注[18]。LIU Yanju等[19]研究发现：掺混正丁醚可有效改善柴油-生物柴油的喷雾质量，且随着掺混比例的增加，混合燃料的喷雾贯穿距略有减小，喷雾锥角增大，Sauter平均直径降低。MO Jun等[20]对比分析了生物柴油添加丁醇后喷雾特性，结果表明：低粘度丁醇可降低生物柴油的SMD，改善喷雾的均匀度。S. J. M.Algayyim等[21]研究发现：低粘度的丁醇-丙酮混合物的添加可增加生物柴油的喷雾投影面积，改善油气混合度。LI Fengyu等[22]对比分析了不同比例的生物柴油-戊醇混合燃料，发现随着戊醇掺混比例的增加，混合燃料的动力粘度和密度降低，最终造成液相贯穿距和喷雾尖端峰值速度的减少。

利用碳中性生物柴油及醇类燃料理化特性的差异可实现其混合燃料的物性设计，从而在不改变发动机原有结构的基础上，实现良好喷雾和低碳燃烧，探究不同碳中和燃料的喷雾特性对建立基于需求的燃料改质技术体系，实现燃料与发动机协同优化具有重要的现实意义。

本文基于定容燃烧弹喷雾试验平台，采用高速摄影和相位Doppler粒子测试技术，对比分析了柴油、生物柴油、戊醇3种基准燃料和一种混合燃料（40%柴油+30%生物柴油+30%戊醇）的宏观及微观喷雾特性，对比分析了燃料物性、喷射压力（最高120 MPa），环境背压、环境温度（最高830 K）等对贯穿距，喷雾锥角及SMD等特征参数的影响规律。

1 试验系统及测试方法

1.1 常温高压试验系统

常温相位Doppler粒子测试技术（phase Doppler particle analyzer， PDPA）的喷雾试验台架如图1所示，包括定容燃烧弹系统，PDPA和高速摄影系统等，主要完成常温下喷雾贯穿距、喷雾锥角和Sauter平均直径的测试。

常温喷雾试验的定容燃烧弹系统主要由定容燃烧弹、高压供气装置、高压喷油系统3部分组成，其中定容燃烧弹是专为喷雾测试设计，最大许用压力为6.0 MPa，定容燃烧弹的侧面设计有2个夹角为110°的石英视窗，以保证PDPA测得的信号具有最高的信噪比。喷射压力由高压共轨系统控制和调节，采用的是喷孔直径为0.14 mm的单孔喷油器，最高喷射压力为150 MPa。

PDPA是Dantec公司制造的相位Doppler粒子分析仪，采用的是Coherent公司的Innova 70C氩离子激光器，可发射3种波长共6束激光，本文仅采用其中波长为514.5 nm的2束激光测量油滴沿喷雾轴线方向的速度及油滴粒径大小。该2束激光从发射探头射出，通过焦距为310 mm的透镜并汇聚一点，形成干涉条纹，该位置即为测量区域。油滴经过测量区域时的散射光由接收探头接收后转换为电信号被采集，根据信号处理器筛选出有效信号来计算油滴的运动速度、粒径分布等基本信息。

高速摄影系统采用的是Photron SA X2高速相机，其曝光时间为6.25μs，拍摄速率为4万帧/s，图片像素为256×768，空间分辨率为107μm/像素。试验时，布置在定容燃烧弹一侧的发光二极管（light-emitting diode，LED）灯光透过视窗照亮喷雾，喷雾形态发展的全过程则由布置在另一侧视窗处的高速相机捕捉。通过电控单元（electronic control unit，ECU）和信号发生器实现对PDPA、高速相机、喷油器以及供油系统的控制与同步。

1.2 高温高压试验系统

高温喷雾特性试验台架及测试系统的组成如图2所示，主要有高温定容燃烧弹系统、高压供油系统、高压供气系统和高速摄像系统等组成。主要用于完成高温条件下燃料喷雾的形态、液相贯穿距、投影面积等的测试。

高温定容燃烧弹的内腔容积为170 mL，设计的最高工作压力为6 MPa，前后左右均布4个厚度为70 mm，直径为100 mm的石英玻璃视窗作为光学通道，喷油器布置在定容燃烧弹的顶部中间。定容燃烧弹内腔底部的电热丝加热模块的最高加热温度为900 K，加热完成后使用压缩空气向定容燃烧弹内充气建立工作压力，以模拟实际发动机气缸内活塞运行到上止点附近时的温度压力条件。定容燃烧弹内的温度和压力信息通过布置在顶部的四个热电偶和一个压力传感器实时采集。

1.3 燃料理化特性及测试条件

试验采用柴油（D100）、生物柴油（B100）、戊醇（P100） 3种基础燃料以及一种混合燃料D40B30P30（40%柴油+30%生物柴油+30%戊醇）。燃料的主要理化指标如表1所示。

表1 试验用柴油、生物柴油和戊醇及混合燃料的主要指标

不同燃料分子结构的不同造成理化指标的差异，理化指标直接影响到发动机的雾化质量和燃烧特性。燃料的蒸发和汽化特性与馏程相关，沸点越低，燃料越容易汽化；液滴的稳定主要取决于液体的表面张力，粘度和表面张力越小，雾化所需的最小能量就越低，燃油喷入气缸时越容易破碎成细小的液滴，即越易于雾化和混合。利用不同燃料理化特性的耦合改善雾化质量是实现清洁燃烧的重要手段。

试验所用的3种基础燃料中，生物柴油的粘度、密度和表面张力最大，沸点最高，而戊醇燃料的粘度、密度和表面张力最小，沸点最低，柴油的特性介于两者之间，3种燃料之间具有良好的互溶性。作者前期利用基础燃料的物性差异，通过生物柴油和戊醇燃料的配比混合得到燃料D40B30P30，具有和柴油相近的物性，台架试验结果表明：在不改变发动机原机结构和控制参数的基础上，混合燃料可获得更佳的燃烧和排放特性[23]。

由于PDPA测试方法的限制，近喷嘴处喷雾浓度较大难以获得有效数据，试验中测量点的选取如图3所示，分别位于距喷嘴顶端30、40、50 mm的平面内，测量点之间的径向间距为1 mm。测量时间为5.0 ms。

如图4所示，喷雾贯穿距定义为喷油器的喷嘴出口到燃油油束前端的距离L；喷雾锥角的定义按照Naber等提出的方法[24]，将喷雾油束投影的上半区域视为一个等腰三角形，该三角形的高即为贯穿距的1/2，其顶角等于喷雾锥角θ。喷雾投影面积是指喷雾沿喷射方向的外轮廓线所包围的投影区域总面积。

表2 给出了常温（298 K）、高温（830 K）下定容燃烧弹的试验条件（喷射压力pinj、背压pamb、环境气体密度ρ、喷油脉宽Δtj）。定容燃烧弹内的试验工况是模拟发动机在上止点附近时气缸内的温度和压力状况，喷油器采用单孔电磁阀喷油器，且采用单次喷射策略，喷油脉宽固定为1.5 ms。定容燃烧弹内充入的是高压纯氮气以避免高温下喷入燃油自燃。

表2 常温和高温下定容燃烧弹试验条件

2 试验结果与分析

2.1 常温高压下的喷雾特性

2.1.1 喷雾贯穿距和喷雾锥角

喷雾油束的形态、贯穿距L和锥角θ是评价宏观喷雾特性的主要指标。图5给出了环境温度为298 K，背压为1.8 MPa，喷油压力为80 MPa时，4种燃料在喷射后0.3、1.2、1.8 ms时刻的喷雾发展历程。常温下各种燃油喷雾的边缘相对清晰，前锋形状较宽大，且从内向外喷雾浓度降低，呈絮条状结构。

图6 为相同工况下不同燃料的贯穿距L和喷雾锥角θ变化规律曲线。由图6可见：喷射初中期（0～300μs）燃料的液相贯穿距迅速增加，喷雾锥角迅速减小；喷射中期（0.3～1.2 ms）变化都逐渐变缓，直至喷射后期（1.2 ms以后）贯穿距和喷雾锥角趋于稳定，这是由于初期燃油在较高的喷射压力下高速喷出，湍流动能较大引起喷雾贯穿距急剧增加，随着喷雾的进展，液滴与环境气体的摩擦使得液体动能逐渐减弱，贯穿距曲线的变化趋于稳定。

燃油的密度、粘性、表面张力等物性是影响喷雾特性的重要因素。由于生物柴油的粘度、密度和表面张力最大，其液相贯穿距最长，对应的喷雾锥角最小，油滴大部分集中于喷雾轴线附近。而戊醇的粘度、密度和表面张力最小，相应液相贯穿距最短，喷雾锥角最大，沿程破碎蒸发较多，径向扩散相对较强。混合燃料的贯穿距与柴油差别不大，略低于生物柴油；而锥角略大于柴油，明显大于生物柴油，说明添加易挥发、低粘度的戊醇燃料中和了生物柴油不易挥发及雾化的特性，改善了混合燃料理化特性，有利于燃料的雾化和蒸发。

图7 是背压为1.8 MPa时不同喷射压力下燃料的喷雾贯穿距。

由图7可见：当喷射压力从40 MPa增大到120 MPa，柴油、生物柴油、戊醇和混合燃料的贯穿距分别增加了26.8%、24%、25%和23%。且当喷射压力增大到80 MPa之后，破碎过程的影响大于动量增加的影响，贯穿距增大的趋势渐缓。这是因为射流速度的增大，提高了液滴与环境气体之间的相对速度，同时导致摩擦力增加，燃油表面的振荡促使其破碎成较小的液滴，使贯穿距出现降低趋势。

图8 是喷射压力为80 MPa时不同背压下的喷雾锥角。

由图8可知：环境背压直接影响燃油的径向和轴向扩散作用，喷射压力一定时，随着背压的增大，喷射压力与背压之差减小，喷雾受到的阻力增大，径向扩散增强，喷雾锥角变大。4种燃油的在常温下的喷雾锥角基本在13°～20°之间，随着背压从1.2 MPa增加到2.5 MPa，柴油、生物柴油、戊醇和混合燃料的喷雾锥角平均增加了19%、21%、18%和17%。

总体来说，常温条件下相同工况下各种燃油的喷雾贯穿距差别不大；密度、粘度和表面张力越大，贯穿距相应越大，锥角越小。低密度、低粘度的戊醇燃料可有效提高生物柴油的挥发性和雾化特性，改善混合燃料的雾化质量。

2.1.2 Sauter平均直径SMD

Sauter平均直径（SMD）能够反映喷雾的微观雾化程度，进而影响液滴群的蒸发速率和化学反应速率。试验通过对喷射触发后5.0 ms内测得的所有油滴的直径D进行统计得，其中Di为第i个油滴的直径：

图9 给出了4种燃油在不同喷射压力和背压条件下SMD的变化规律。

由图9a可见：背压一定时，随着喷射压力的增加，燃油SMD均呈逐渐降低的趋势。当喷射压力从40 MPa提高到120 MPa时，四种燃料柴油、生物柴油、戊醇和混合燃料D40B30P30的SMD平均降幅分别为7.6%、6%、8.2%和10.8%，这是因为喷射压力的提高能够增强燃油流动的湍流速度，加剧油滴与空气的相互作用，促进破碎。

由图9b可见：当喷射压力一定，不同燃油的SMD随着背压的增大明显增加。当背压从1.2 MPa提高到2.5 MPa时，四种燃料柴油、生物柴油、戊醇和混合燃料D40B30P30的SMD平均增幅分别为24%、28%、24.8%和27.5%；环境背压的提高一方面增强了喷雾与空气之间的相互作用，有利于油滴的破碎，但另一方面，随着背压的增加，空气阻力增大，喷雾贯穿距降低，使得单位体积内的液滴数量增多，增加了油滴间相互碰撞而发生聚合的几率，最终油滴的聚合占据优势，导致了SMD的升高。

燃料物性对微观喷雾特性有同样重要的影响，工况一定时，4种燃料的SMD从大到小依次为B100、D100、D40B30P30、P100，生物柴油的粘度、密度和表面张力最大，其SMD明显高于柴油、戊醇和混合燃料；与生物柴油相比，戊醇的SMD平均降幅为10%，这主要是由于燃油粘度和表面张力的降低将使雷诺数增加，加速湍流的发展，促进燃油的破碎，减小液滴的粒径。所以通过向柴油-生物柴油混合燃料中添加戊醇，可减小燃料分子的内聚力和分子间的粘性力，提高喷雾液滴的细度，改善燃油颗粒与空气的接触表面积，促进混合气形成。

2.2 高温高压喷雾特性对比

2.2.1 液相稳定长度

图10 给出了80 MPa喷射压力、4 MPa背压、830 K高温工况下，4种燃油在喷射后0.2、0.4、0.8 ms时刻的喷雾发展过程。由图10可见，高温下燃料的蒸发效应增强，液相贯穿距迅速变短；且燃料的粘性和表面张力随温度升高而降低，加速了液滴的破碎和雾化。当喷雾的液相长度达到稳定状态时（0.8 ms），由燃料物性差异引起的喷雾宏观特征的差异更为明显，生物柴油的液相贯穿距较大；而戊醇燃料较低的粘度、密度、表面张力和较高的挥发性更易于雾化和蒸发，导致液相贯穿距最短。

图11 给出了830 K高温，4 MPa背压，80 MPa喷射压力条件下不同燃料的液相贯穿距随时间的变化过程。高温下各个燃油由于物性不同而导致液相稳定长度明显不同，生物柴油的液相贯穿距相比柴油增加18%，戊醇的液相贯穿距离相比柴油降低了27%；混合燃料的液相贯穿距与柴油接近。戊醇与生物柴油和柴油混合后改善了混合燃料理化特性，在提高混合燃料含氧量的同时保证了良好的雾化特性。

图12 为830 K、3.0 MPa背压下，4种燃料喷雾的液相稳定长度随喷射压力、环境背压的变化规律。

由图12a可见：随着喷射压力提高，油滴运动速度加快，贯穿距增大，但同时粒径的减少也加快了蒸发过程，两种不同效应相互制约，最终导致燃料的液相长度随喷射压力变化不大。由图12b可见：随着背压提高，燃料的液相稳定长度明显下降，因为背压的提高促进喷雾周边气体的卷吸作用和喷雾的径向扩散，燃料在较短喷射距离就能吸收足够能量进行蒸发。

2.2.2 喷雾投影面积

图13 为830 K、80 MPa喷射压力下，4种燃料的喷雾投影面积随不同环境背压的变化规律。相同工况下戊醇P100喷雾投影面积最小，生物柴油的喷雾投影面积最大，混合燃料的喷雾投影面积介于柴油和戊醇之间。

随着环境背压增大，4种燃料的喷雾投影面积都呈现下降趋势，当背压为3.0 MPa时，燃料喷射时受到的空气阻力最小，有利于喷雾沿径向和轴向的发展，喷雾投影面积最大。随着环境背压的提高到5.0 MPa时，喷雾受到的阻力增加，贯穿距减小，同时径向发展受限，喷雾投影面积明显减小。喷雾轴向贯穿距及沿径向发展距离直接影响喷雾投影面积的大小，喷雾投影面积越大，表征喷雾与空气接触面积越大，二者相互作用加强。